低功耗自動監(jiān)測設備在施工過程監(jiān)測中的應用

李鑫奎 蔣宇晨 沈志勇

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海西派埃自動化儀表工程有限責任公司 上海 201612

應變監(jiān)測是獲取結構力學參數(shù)的重要手段，是大型復雜結構工程進行施工質(zhì)量與安全控制的基礎。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術的進步和無線傳感技術的迅猛發(fā)展，應變監(jiān)測逐漸由有線的人工采集方式發(fā)展到無線自動采集方式。但當前無線監(jiān)測設備仍然存在著功耗高、監(jiān)測網(wǎng)絡擴展困難等缺點，應用于施工階段監(jiān)測仍不方便。為解決施工期結構應變監(jiān)測難題，針對振弦式應變監(jiān)測設備開展了低功耗及采集機制的研究，研發(fā)形成了適用于施工期應變監(jiān)測的低功耗無線監(jiān)測設備[1-2]。

1 振弦式應變傳感器工作原理

振弦式應變傳感器依靠鋼弦長度變化感知被測結構的應變。其工作原理為：傳感器鋼弦長度變化引起固有振動頻率改變，通過激勵線圈激發(fā)鋼弦振動，鋼弦振動后切割線圈磁力線獲得感生電動勢，根據(jù)測得的感生電動勢計算得到鋼弦頻率，并最終獲得鋼弦應變〔式（1）〕。

式中：l ——鋼弦初始長度；

E——鋼弦彈性模量；

Δl ——鋼弦受力后長度變化量；

ρv——鋼弦體密度。

2 施工期監(jiān)測設備需求分析

施工期應變監(jiān)測具有其相應的特點，與既有結構監(jiān)測的不同點在于以下3個方面：施工期監(jiān)測結構材料與體系存在顯著的時變特性；監(jiān)測環(huán)境多變，過程中各種工序相互交叉影響；測點多、分散且隨施工進展在數(shù)量上有所增減。因此采用常規(guī)有線監(jiān)測方式開展施工控制監(jiān)測困難較大，監(jiān)測的可靠性和穩(wěn)定性難以保證。

2.1 低功耗需求

當前開展建筑物中長期監(jiān)測多采用外部電源供電方式，但施工期監(jiān)測存在電源不固定，且有被占用可能，同時供電線路也存在易損壞的缺點。因此施工期監(jiān)測采用外部供電存在供電不穩(wěn)定，維護工作量大的缺點，從而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失。施工期監(jiān)測為中短期監(jiān)測，時間從數(shù)天至數(shù)月不等，需要采用自帶電源供電，由于施工期間更換電源可能造成安全性問題，因此應盡量減少電源更換次數(shù)。

2.2 無線傳輸需求

施工期各工種交叉作業(yè)，采用有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)線容易遭到破壞，也容易對后續(xù)工程產(chǎn)生影響。另外，監(jiān)測測點隨施工進展增減，若采用有線方式，會增大布線工作量。同時，隨著施工的進行，隔斷墻及裝修結構的增加可能阻斷原有無線信號傳輸，因此施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式應采用無線方式，且數(shù)據(jù)傳輸方式應能夠減少隔斷對信號的屏蔽作用，確保通信網(wǎng)絡的暢通。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)擴展性要求

針對施工期監(jiān)測測點隨施工進展增減的特點，后期增加的測點應能夠方便可靠地接入已有系統(tǒng)，盡量減少人工操作，提高監(jiān)測網(wǎng)絡的自適應性和接入效率。

3 硬件系統(tǒng)方案設計

3.1 傳輸方式選擇及總體架構設計

鑒于施工監(jiān)測需要低功耗、遠距離傳輸、穿透性好的無線數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)分析，選擇了基于遠程無線電（Long Range Radio，LoRa）的無線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案。LoRa模塊是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，是能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可擴展傳感網(wǎng)絡。LoRa模塊在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3～5倍。同時LoRa模塊也具有良好的穿透性，穿透能力比傳統(tǒng)FSK、GFSK等有0.5～0.8倍的提升。綜上，LoRa模塊具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、強穿透性、低成本的特性，比較適合用于施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。

為實現(xiàn)應變監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程應用，采用了LoRa終端設備、網(wǎng)關、網(wǎng)絡服務的網(wǎng)絡結構。在功能方面，LoRa設備終端采集應變數(shù)據(jù)后向網(wǎng)關發(fā)送，依據(jù)施工期應變監(jiān)測特點確定了終端采集通道設置為4個或8個，即一個LoRa終端設備采集4個或8個應變傳感器數(shù)據(jù)。網(wǎng)關主要功能是接收LoRa終端設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)匯總并發(fā)送至廣域網(wǎng)，一個網(wǎng)關一般連接若干采集器，組成星形拓撲網(wǎng)絡。在數(shù)據(jù)傳輸方面：LoRa終端設備和網(wǎng)關之間通過LoRa無線技術進行數(shù)據(jù)傳輸，而網(wǎng)關和廣域網(wǎng)之間的交互通過TCP/IP協(xié)議或4G無線連接（圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸總體架構

3.2 低功耗技術設計

應變監(jiān)測設備低功耗設計主要從2個方面實施：

1）充分利用LoRa模塊自身特有的低功耗特性，同時利用其空中喚醒機制，設計“休眠-工作”轉(zhuǎn)換機制。施工監(jiān)測過程中，監(jiān)測設備不上傳數(shù)據(jù)時，LoRa模塊設置為低功耗模式；只有在采集器上傳數(shù)據(jù)時，LoRa模塊才進入較高能耗的正常工作模式。利用LoRa設備休眠狀態(tài)下無線通信模塊可處于“休眠-監(jiān)聽”的特點，LoRa模塊采用定時監(jiān)聽的方式，監(jiān)聽網(wǎng)絡中設置的喚醒指令。當采集器接收到有效的喚醒指令后，設置LoRa無線通信模塊切換進入正常工作模式，直至數(shù)據(jù)接收完畢。由于大部分時間采集器不發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣的設置避免了Lora無線通信模塊一直處于高功耗的工作狀態(tài)，從而使LoRa無線通信模塊長期處于“休眠-監(jiān)聽”的低功耗狀態(tài)，從源頭上有效降低設備能耗。

2）目前，現(xiàn)有的采集裝置對于振弦式應變計的振弦激勵方式，可以分為“低壓激振”與“高壓激振”2種。高壓激振，速度快，一次激勵即可完成起振，但設備功耗大；低壓激振，設備功耗小，但需要進行“掃頻”，控制復雜，采集速度慢。為節(jié)約電量，實現(xiàn)電池供電條件下的長時間值守，采用“低壓激振”方式實現(xiàn)振弦起振，并通過相應的算法，解決現(xiàn)有采集設備功耗大、采集速度慢的問題。利用激振電磁線圈，向系統(tǒng)一次性發(fā)送全部頻率的激振，這個振動頻率連續(xù)變化的“激振脈沖”，按照一定頻率值間隔覆蓋整個搜索頻率范圍。因此，原則上可以短時間內(nèi)發(fā)生一個與振弦的振動頻率相近的激勵頻率，從而引發(fā)“共振”現(xiàn)象，使得振弦起振，隨后測得起振后的振弦頻率。這種起振方式，相較原有的“逐一搜索法” “分段逼近法”，在掃頻速度上有了很大的提高。由于采用的是“低壓激振”方式，且采集速度快，因此可以實現(xiàn)更低的設備功耗。

3.3 數(shù)據(jù)采集方式設計

施工期應變監(jiān)測需要能夠?qū)Ω鱾€主要工況下結構的力學特征參數(shù)進行采集，因此應變采集裝置需要滿足無線自動定時采集和人工實時采集相結合的功能。應變數(shù)據(jù)的采集通過空中喚醒機制實現(xiàn)，即通過向終端采集設備發(fā)送喚醒指令，終端開始采集應變數(shù)據(jù)并進行傳輸，待網(wǎng)關發(fā)送收到數(shù)據(jù)指令后進入休眠狀態(tài)，若網(wǎng)關由于故障未收到終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則終端重復發(fā)送2次，如仍未收到網(wǎng)關回復，則在下一次數(shù)據(jù)采集周期進行發(fā)送。

采用人工手動采集可滿足施工現(xiàn)場搭建網(wǎng)絡系統(tǒng)完成后的實時校驗，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)關鍵工況需要不定時實時采集的要求。通過定時自動采集與人工實時采集的結合，能夠滿足施工期應變監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的需求，從而更好地為施工質(zhì)量和安全提供可靠參數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)存儲設計

通常情況下，由于采集終端或網(wǎng)關故障數(shù)據(jù)不能實時傳輸，為防止數(shù)據(jù)丟失，設計了雙重存儲機制，即在LoRa終端設備和網(wǎng)關中均設置存儲模塊，終端模塊采集數(shù)據(jù)后，在對數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)耐瑫r進行存儲，網(wǎng)關收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后首先進行存儲，然后發(fā)送至廣域網(wǎng)。若采集終端和網(wǎng)關發(fā)生通信故障，待采集終端與網(wǎng)關重新建立通信連接后，采集終端將未發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關。若網(wǎng)關與廣域網(wǎng)之間發(fā)生通信故障，待通信建立后網(wǎng)關將未發(fā)送的存儲數(shù)據(jù)進行發(fā)送，如通信一直無法建立，則可攜帶終端設備與采集終端或網(wǎng)關建立聯(lián)系進行數(shù)據(jù)的讀取。該雙重存儲機制最大限度地保障了數(shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)丟失對工程質(zhì)量和安全產(chǎn)生的影響。

4 調(diào)試軟件系統(tǒng)方案設計

調(diào)試軟件主要功能為在監(jiān)測現(xiàn)場對監(jiān)測設備進行參數(shù)設置和設備管理。網(wǎng)關有GPRS或Wi-Fi這2種聯(lián)網(wǎng)模式，如采用GPRS方式可不用設置網(wǎng)絡連接，設備啟動后自動將數(shù)據(jù)傳輸至云端。當采用Wi-Fi方式聯(lián)網(wǎng)時需要通過調(diào)試軟件將網(wǎng)關接入當?shù)豔i-Fi系統(tǒng)。網(wǎng)關接入網(wǎng)絡系統(tǒng)后可以在調(diào)試軟件中對網(wǎng)關和采集終端進行管理和參數(shù)設置。另外，為方便施工現(xiàn)場監(jiān)測的使用，調(diào)試軟件能夠遠程控制網(wǎng)關的啟動和停止，同時還具有手動實時采集的功能。

5 工程應用

5.1 某鋼支撐應變監(jiān)測

某基坑選定同一層3根鋼支撐開展應變監(jiān)測。鋼支撐采用長20 m的φ609 mm×12 mm鋼管，在鋼支撐表面上下各布置1個應變傳感器，每根鋼支撐上的2個應變傳感器接入同一個采集終端，網(wǎng)關放置在距離施工現(xiàn)場200 m的辦公室內(nèi)，采用Wi-Fi模式接入廣域網(wǎng)，采集終端采用普通鋰電池供電，網(wǎng)關由外接電源供電，設置應變采集頻率為15 min/次。自2019年4月11日開始采集至7月14日結束，歷時3個月，監(jiān)測期間采集終端工作正常，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，監(jiān)測期間由于施工現(xiàn)場停電2次，停電期間應變數(shù)據(jù)儲存在采集終端存儲模塊內(nèi)，待供電恢復后采集終端將斷電期間的數(shù)據(jù)進行了補發(fā)，數(shù)據(jù)未出現(xiàn)缺失現(xiàn)象。監(jiān)測結束后采集終端顯示總共耗電8%，以此計算，該采集模塊在15 min/次采集頻率工作狀態(tài)下，依靠鋰電池能夠工作超過2年時間，具有明顯的低功耗特點。圖2為監(jiān)測設備成品。

圖2 監(jiān)測設備成品

5.2 某混凝土梁應變監(jiān)測

采用振弦式應變計監(jiān)測某混凝土梁受力狀態(tài)，傳感器設置在梁的4個角點，每個截面共4個傳感器，每個斷面?zhèn)鞲衅鹘尤胪粋€采集終端，共布置了10個采集終端。由于施工場地內(nèi)無Wi-Fi，網(wǎng)關采用4G通信模式接入廣域網(wǎng)，采集終端同樣由鋰電池供電，網(wǎng)關由外接220 V電源供電，該工程示范應變采集頻率設置為10 min/次，自2019年4月底開始采集至7月底結束，歷時3個月，應變數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，示范采集期間采集設備經(jīng)歷了多次斷電，后期數(shù)據(jù)全部補全。監(jiān)測結束后采集終端顯示總共耗電11%，以此計算該采集模塊在10 min/次采集頻率工作狀態(tài)下依靠鋰電池能夠工作超過2年時間。2個工程的采集設備功耗較為接近。

6 結語

低功耗無線應變采集設備在普通采集頻率下能堅持2年不更換電池，且數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，避免了電源線及數(shù)據(jù)線因施工破壞造成的數(shù)據(jù)缺失。另外采集設備自帶的儲存功能、續(xù)傳功能，能夠有效避免網(wǎng)關斷電等異常造成的數(shù)據(jù)無法及時傳輸問題。研發(fā)的該類型設備尤其適用于施工期結構受力狀態(tài)監(jiān)測，能夠為施工期結構質(zhì)量和安全提供及時可靠的數(shù)據(jù)支撐。